基于频率跟踪的超声波驱动系统研究与设计
发布时间：2021-07-16 13:50
如今超声波技术在工业及医疗领域应用广泛,如检测超声应用于超声探伤,功率超声应用于超声理疗等。超声波发生系统包括超声波驱动系统和超声波换能器,超声波驱动系统一直都是超声波技术的研究重点。本文主要研究功率超声波驱动系统在超声理疗中的应用,其输出超声波频率大多在1MHz以上,若利用传统的功率放大器对超声波激励信号进行放大处理,存在能量转化效率低和输出功率不可控等问题。同时换能器在工作过程中,由于换能器的磨损和负载变化,换能器谐振频率会发生漂移,仅仅依靠换能器匹配网络不能够实现频率的精确匹配。基于以上问题,超声波驱动系统需要实现功率控制、换能器阻抗匹配和频率跟踪等功能。本文设计了驱动频率为1MHz输出功率可调的超声波驱动系统整体结构,首先进行换能器的阻抗特性分析,设计了换能器T型阻抗匹配网络并计算网络中各个元件参数,并设计了换能器相位差检测电路。采用E类功率放大器对超声波激励信号进行放大处理,同时对放大器结构和各项参数进行推导计算。利用PWM波控制MOS管栅极驱动器使能端实现对超声波输出功率的间接控制。针对换能器谐振频率漂移问题,由于换能器谐振频率呈非线性变化,本文提出了Fuzzy-DDS（模...
【文章来源】：重庆邮电大学重庆市
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外超
重庆邮电大学硕士学位论文第2章换能器阻抗特性分析及频率跟踪方法研究8第2章换能器阻抗特性分析及频率跟踪方法研究超声波驱动系统实质上是一个能够输出高频电信号的信号发生装置，产生的驱动信号通过滤波、功率放大等电路后，再经阻抗匹配电路传输至换能器负载端，使得换能器工作在谐振状态，通过机械振动产生超声波信号，完成电信号到声信号的能量转化。传统的超声波发生系统如图2.1所示。高频信号发生器功率放大电路阻抗匹配电路换能器图2.1超声波发生系统换能器作为超声波驱动系统的负载，在超声波应用中有很高的研究价值，同时也是超声波发生系统中的关键部分。换能器本质是能量转化器件，在完成电信号到声信号的过程中，同时也完成了电能到机械能再到声能的能量转化过程。在超声波应用中常用的换能器有压电式和磁致伸缩式，其中压电式换能器的应用更加广泛。压电式换能器由机械振动系统和电能储能元件两部分组成，同时压电式换能器具有结构简单、工作可靠、重量轻和机电转化效率高等优点。如图2.2所示，展示了两种不同结构的压电式换能器，图2.2(a)为凹面换能器，可用于产生聚焦超声波，能够使局部辐射能量急剧增大；图2.2(b)为平面换能器，正负极分布在换能器两侧，超声波有效辐射面积更大，能量分布更均匀。(a)凹面片(b)平面片图2.2压电式换能器
重庆邮电大学硕士学位论文第2章换能器阻抗特性分析及频率跟踪方法研究92.1换能器阻抗特性分析换能器作为超声波驱动系统的负载元件，负责电能到机械能再到声能的转化，超声波换能器实质上是一个谐振系统。为了更好地了解压电式换能器工作状态，本节主要研究换能器的内部结构，其等效电路如图2.3所示，图中C0、L1、C1和R1分别为静态电容、动态电感、动态电容和动态电阻[35,36]。图2.3换能器等效电路其中L1代表换能器振动质量，R1代表换能器内摩擦系数，C1代表换能器弹性常数。L1、R1和C1构成了串联谐振电路。而在以上参数中，只有换能器静态电容C0为真正的电学量，其电容值的大小可以通过阻抗分析仪测得。L1、R1和C1是由换能器质量和机械损耗近似折算过来的等效参数。根据电路知识可计算得到换能器等效电路整体阻抗如下。串联支路阻抗为：11111ZRjLjC=++(2.1)式中，Z1——串联支路阻抗R1——换能器内摩擦系数L1——换能器振动质量C1——换能器弹性常数并联支路阻抗为：001ZjC=(2.2)式中，Z0——并联支路阻抗C0——换能器静态电容可求得图2.3中换能器整体等效电路阻抗为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波电源匹配网络和频率跟踪系统的研究[J]. 邓孝祥,葛飞. 通信电源技术. 2019(11)
[2]基于PWM功率控制的超声波电源研究与设计[J]. 耿海云. 科技资讯. 2019(19)
[3]基于E类功率放大器的双频超声治疗系统研究[J]. 张敏,张元良,李瑞品. 医疗卫生装备. 2019(06)
[4]基于频率跟踪的超声驱动电源研制[J]. 彭呈祥,段发阶,蒋佳佳,王金栋. 电力电子技术. 2019(05)
[5]频率自动跟踪超声波电源设计[J]. 陈鹏,覃庆良,冯宇平. 应用声学. 2017(06)
[6]基于DDS技术的超声电源系统的设计[J]. 李夏林,朱武. 上海电力学院学报. 2017(01)
[7]超声波发生器的锁相关键技术[J]. 李维,洪喜,卢佳,郭尧. 电子技术与软件工程. 2016(06)
[8]基于模糊控制的超声理疗仪频率自动跟踪技术[J]. 张一帆,屈惠明,顾华东,陈瑞涛. 电力电子技术. 2016(01)
[9]超声换能器频率特性及匹配研究[J]. 杜鹏,姜楠,宋波. 电声技术. 2016(01)
[10]压电换能器等效模型分析与阻抗匹配设计[J]. 李晓,宋雁鹏,王志斌,杨常青,薛锐,于慧,吴传超. 应用声学. 2016(01)
硕士论文
[1]超声波发生器控制电路的研究[D]. 原艺博.西安石油大学 2019
[2]基于STM32的频率自动跟踪与振幅恒定的超声电源的研制[D]. 郑伟帅.大连理工大学 2018
[3]一种阻抗匹配可调的变频式超声波电源[D]. 苏文虎.江苏科技大学 2017
[4]基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究[D]. 钟龙.北京交通大学 2015
[5]智能双频超声理疗仪的设计与实现[D]. 张一帆.南京理工大学 2015
[6]超声换能系统的频率跟踪与控制方法研究[D]. 李春风.哈尔滨工业大学 2015
[7]基于STM32和检相电路的双闭环超声频率跟踪系统的研究设计[D]. 周唯.北京交通大学 2012
本文编号：3287133
【文章来源】：重庆邮电大学重庆市
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外超
重庆邮电大学硕士学位论文第2章换能器阻抗特性分析及频率跟踪方法研究8第2章换能器阻抗特性分析及频率跟踪方法研究超声波驱动系统实质上是一个能够输出高频电信号的信号发生装置，产生的驱动信号通过滤波、功率放大等电路后，再经阻抗匹配电路传输至换能器负载端，使得换能器工作在谐振状态，通过机械振动产生超声波信号，完成电信号到声信号的能量转化。传统的超声波发生系统如图2.1所示。高频信号发生器功率放大电路阻抗匹配电路换能器图2.1超声波发生系统换能器作为超声波驱动系统的负载，在超声波应用中有很高的研究价值，同时也是超声波发生系统中的关键部分。换能器本质是能量转化器件，在完成电信号到声信号的过程中，同时也完成了电能到机械能再到声能的能量转化过程。在超声波应用中常用的换能器有压电式和磁致伸缩式，其中压电式换能器的应用更加广泛。压电式换能器由机械振动系统和电能储能元件两部分组成，同时压电式换能器具有结构简单、工作可靠、重量轻和机电转化效率高等优点。如图2.2所示，展示了两种不同结构的压电式换能器，图2.2(a)为凹面换能器，可用于产生聚焦超声波，能够使局部辐射能量急剧增大；图2.2(b)为平面换能器，正负极分布在换能器两侧，超声波有效辐射面积更大，能量分布更均匀。(a)凹面片(b)平面片图2.2压电式换能器
重庆邮电大学硕士学位论文第2章换能器阻抗特性分析及频率跟踪方法研究92.1换能器阻抗特性分析换能器作为超声波驱动系统的负载元件，负责电能到机械能再到声能的转化，超声波换能器实质上是一个谐振系统。为了更好地了解压电式换能器工作状态，本节主要研究换能器的内部结构，其等效电路如图2.3所示，图中C0、L1、C1和R1分别为静态电容、动态电感、动态电容和动态电阻[35,36]。图2.3换能器等效电路其中L1代表换能器振动质量，R1代表换能器内摩擦系数，C1代表换能器弹性常数。L1、R1和C1构成了串联谐振电路。而在以上参数中，只有换能器静态电容C0为真正的电学量，其电容值的大小可以通过阻抗分析仪测得。L1、R1和C1是由换能器质量和机械损耗近似折算过来的等效参数。根据电路知识可计算得到换能器等效电路整体阻抗如下。串联支路阻抗为：11111ZRjLjC=++(2.1)式中，Z1——串联支路阻抗R1——换能器内摩擦系数L1——换能器振动质量C1——换能器弹性常数并联支路阻抗为：001ZjC=(2.2)式中，Z0——并联支路阻抗C0——换能器静态电容可求得图2.3中换能器整体等效电路阻抗为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波电源匹配网络和频率跟踪系统的研究[J]. 邓孝祥,葛飞. 通信电源技术. 2019(11)
[2]基于PWM功率控制的超声波电源研究与设计[J]. 耿海云. 科技资讯. 2019(19)
[3]基于E类功率放大器的双频超声治疗系统研究[J]. 张敏,张元良,李瑞品. 医疗卫生装备. 2019(06)
[4]基于频率跟踪的超声驱动电源研制[J]. 彭呈祥,段发阶,蒋佳佳,王金栋. 电力电子技术. 2019(05)
[5]频率自动跟踪超声波电源设计[J]. 陈鹏,覃庆良,冯宇平. 应用声学. 2017(06)
[6]基于DDS技术的超声电源系统的设计[J]. 李夏林,朱武. 上海电力学院学报. 2017(01)
[7]超声波发生器的锁相关键技术[J]. 李维,洪喜,卢佳,郭尧. 电子技术与软件工程. 2016(06)
[8]基于模糊控制的超声理疗仪频率自动跟踪技术[J]. 张一帆,屈惠明,顾华东,陈瑞涛. 电力电子技术. 2016(01)
[9]超声换能器频率特性及匹配研究[J]. 杜鹏,姜楠,宋波. 电声技术. 2016(01)
[10]压电换能器等效模型分析与阻抗匹配设计[J]. 李晓,宋雁鹏,王志斌,杨常青,薛锐,于慧,吴传超. 应用声学. 2016(01)
硕士论文
[1]超声波发生器控制电路的研究[D]. 原艺博.西安石油大学 2019
[2]基于STM32的频率自动跟踪与振幅恒定的超声电源的研制[D]. 郑伟帅.大连理工大学 2018
[3]一种阻抗匹配可调的变频式超声波电源[D]. 苏文虎.江苏科技大学 2017
[4]基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究[D]. 钟龙.北京交通大学 2015
[5]智能双频超声理疗仪的设计与实现[D]. 张一帆.南京理工大学 2015
[6]超声换能系统的频率跟踪与控制方法研究[D]. 李春风.哈尔滨工业大学 2015
[7]基于STM32和检相电路的双闭环超声频率跟踪系统的研究设计[D]. 周唯.北京交通大学 2012
本文编号：3287133
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